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1.1 Gastrointestinale Erkrankungen im Kindesalter
Akute infektiöse Gastroenteritiden gehören zu den häufigsten Infektionskrankheiten des Menschen. Während die klassischen Enteritiserreger, wie Salmonella und Shigella bereits im 19. Jahrhundert bekannt wurden, kam erst in den
letzten Jahren Licht in das Dunkel der ätiologisch ungeklärten Enteritiden im
Säuglings- und Kleinkindesalter.
Häufig sind die Symptome der gastrointestinalen Erkrankungen vielgestaltig
und uncharakteristisch und können bei einer Vielzahl von Erkrankungen
anderer Organsysteme beobachtet werden (Nützenadel 2000). Erwähnt sei
das Erbrechen. Im Kindesalter ist es häufig ein Begleitsymptom zahlreicher
Erkrankungen (u.a. bei Atemwegs- und Harnwegsinfektionen, Meningitis).
Erbrechen kann auch als singuläres Symptom bei gastrointestinalen Erkrankungen auftreten (Azetonämie). Die Ermittlung der Art, des Beginns und des
Verlaufs der Symptome ermöglichen häufig eine differentialdiagnostische
Abgrenzung zu anderen Erkrankungen mit definierter Pathophysiologie.
Neben Atemwegserkrankungen zählen Erkrankungen des Magen-Darm-Traktes zu den häufigsten Krankheiten im Kindesalter. Im europäischen Raum
sind etwa 60% der akuten Gastroenteritiden auf Viren, 20% auf bakterielle
und der Rest auf sonstige (z.B. parasitäre) Infektionen zurückzuführen.
Trotz unterschiedlicher Ätiologie ist das klinische Krankheitsbild bei Säuglingen und Kleinkindern ziemlich uniform.
Gemeinsam mit Zeichen eines Atemwegsinfektes kann es zu Fieber, Erbrechen und Durchfall kommen. Die beiden letztgenannten Symptome und mangelnde Nahrungsaufnahme führen zur Dehydratation mit Exsikkose und Azidose als klinisches bzw. laborchemisches Korrelat. Besonders gravierend ist
die hypertone Form der Dehydratation mit Serum-Na-Konzentrationen von
mehr als 150-170 mmol/l als Folge des Wasserverlustes via Faeces bzw.
Erbrechen.
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Für die Beurteilung der Schwere von entzündlichen Erkrankungen des Magen-Darmtraktes sind neben klinischen Befunden die Bestimmung verschiedener Laborparameter, u.a. die Elektrolytkonzentration (Na, K, Cl) im Serum,
die Analyse des Säure-Basenhaushaltes, die Serumosmolarität sowie die Bestimmung des Hk und der harnpflichtigen Substanzen erforderlich.
Zum Verständnis der Pathogenese muß zwischen enteroinvasiven und
enterotoxinbildenden Enteritiserregern unterschieden werden. Enteroinvasive
Erreger sind zum Beispiel Shigellen (außer Shigella dysenteriae Typ I), bestimmte
Escherichia-coli-Stämme,
enterocolitica
und
enterotoxinbildenden
cholerae,
Shigella
Entamoeba
Staphylococcus
histolytica.
Bakterien
sind
dysenteriae
Typ
aureus,
Wichtigste
Yersinia
Vertreter
Escherichia-coli-Stämme,
I,
Clostridium
perfringens
der
Vibrio
und
Salmonellen. Die Wirkmechanismen dieser Erreger führen zu einer
kausalorientierten klinischen Abgrenzung der gastroenteritischen Symptomatik. Das Ausmaß der klinischen Symptome und das makroskopische
Aussehen der Stühle sind für die Beurteilung der Ätiopathogenese, die
Einleitung der erforderlichen Therapie und die Prognose vordergründig.
Die meisten Erreger werden mit kontaminierter Nahrung zugeführt. Die spezifische Diagnostik der Durchfallerkrankung erfolgt aus Stuhlproben. Unabhängig von der Ätiologie erfordert die Therapie eine Entlastung der gestörten Verdauungs- und Resorptionsfunktion, eine Vermeidung des Wasser- und
Elektrolytverlustes sowie die Sicherung einer kalorisch ausreichenden Ernährung. Gewichtsverluste von mehr als 5% des Körpergewichtes erfordern
eine stationäre Behandlung mit intravenöser Flüssigkeits- und Elektrolytsubstitution.
Bei leichteren Diarrhöen sind Diäten dem Alter des Kindes entsprechend ausreichend. Spezifische medikamentöse Therapien sind im Kindesalter nur sehr
selten indiziert.
Erwähnenswert ist noch eine Gruppe von Enteritiden nichtinfektiöser Ursache,
welche im Rahmen einer Antibiotikatherapie oder unmittelbar im Anschluß an
eine solche auftreten kann. Durch die Gabe von Antibiotika können sich
Enterotoxine bilden und somit eine Enteritis induzieren (Hadorn 1991).
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Eine weitere nicht durch Erreger verursachte Enteritisform stellt die Kuhmilchproteinintoleranz dar. Die Kuhmilchproteinintoleranz ist eine passagere
sekundäre Störung der Immuntoleranz gegen Kuhmilchproteine mit Läsion
der Dünndarmschleimhaut (Sitzmann 1995).
Neben den akuten erregerassoziierten Gastroenteritiden gibt es Enteritisformen im Rahmen chronisch entzündlicher Darmerkrankungen, welche neben
dem Symptom Diarrhöe mit einem enteralen Eiweißverlust und/oder
Blutungen im Gastrointestinaltrakt einhergehen (z.B. Morbus Crohn, Colitis
ulcerosa). Inzidenz und Prävalenz beider Erkrankungen unterscheiden sich
nur wenig. Beim Morbus Crohn wird eine Zunahme der Inzidenz bei Jugendlichen und Adoleszenten beschrieben (Glickmann 1987). Die Inzidenz wird
für Morbus Crohn als auch für Colitis ulcerosa jeweils mit 2-6 Neuerkrankungen pro Jahr und 100000 Einwohnern angegeben (Remmele 1984).
1.2 Infektionsabwehr im Gastrointestinaltrakt
Der Gastrointestinaltrakt ist in ständigem Kontakt mit potentiellen Krankheitserregern und Antigenen. Um den Organismus gegen pathogene Mikroorganismen und Antigene zu schützen, besitzt der Intestinaltrakt unspezifische Abwehrmechanismen - z.B. den Schleimbelag der Mukosa, Makrophagen sowie ein spezialisiertes Immunsystem. Morphologisch wird dieses Immunsystem vom schleimhautassoziierten lymphatischen Gewebe (mucosaassociated lymphoid tissue = MALT) repräsentiert. Dazu gehört das Immunsystem des Darmes (= gut-associated lymphoid tissue = GALT), das mit einer
geschätzten Gesamtfläche von 200 m2 den bedeutendsten Teil des MALT
darstellt (Zeitz 1992, Seyfarth und Herbst 1996).
Das MALT zählt zu den sekundären lymphatischen Organen und schützt den
Organismus als integraler Bestandteil der Mucosabarriere vor Infekten bzw.
darmpathogenen Keimen und Antigenen.
Die einheitliche Reaktionsweise des MALT in seiner Gesamtheit wird durch
zirkulierende Lymphozyten vermittelt. Ein Charakteristikum des MALT ist die
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als “Homing” bezeichnete Vernetzung der einzelnen Systeme untereinander.
Beim selektiven Einwandern von Lymphozyten in bestimmte Zielorgane, z.B.
in den Darm, spielen besondere Oberflächenantigene, sog. “Homing”-Rezeptoren auf den Lymphozyten, und Erkennungsstrukturen auf den Gefäßendothelien eine Rolle (Stoohman 1989).
Im Bereich der Peyer-Plaques und Lymphfollikel kommt es zu einem Antigenkontakt und zur spezifischen Prägung der Lymphozyten, die über Lymphbahnen, mesenteriale Lymphknoten und die Blutbahn aufgrund spezieller “Homing”-Rezeptoren vorwiegend wieder die intestinale Schleimhaut erreichen
(Fink und Dancygier 1986, Brandtzaeg et al. 1991).
Die humorale Immunantwort des MALT ist durch das Auftreten von sekretorischen Antikörpern gekennzeichnet. Die sekretorische Komponente hat eine
starke Affinität zu den polymeren Immunglobulinen IgA und IgM unter Bildung
von s-IgA.
1.3 Pathobiochemie der Entzündung im Darm
Verletzungen oder eingedrungene Krankheitserreger (Viren, Bakterien) sowie
abgestorbenes Gewebe lösen im Organismus Entzündungsreaktionen aus.
Es werden neben humoralen auch zelluläre Systeme aktiviert. Dabei spielen
die Phagozyten insbesondere die polymorphkernigen Granulozyten eine
besondere Rolle. Die mobilen Granulozyten sind neben Makrophagen die klinisch bedeutsamsten Effektorzellen bei entzündlichen Prozessen. Der tägliche Umsatz dieser Granulozyten beträgt 1011 Zellen. Die PMN-Granulozyten
werden durch eine Reihe von Mediatoren (u.a. TNF-α, Interleukine, Endotoxine und Leukotriene) aktiviert und wandern durch chemotaktische Substanzen in den Entzündungsherd. Es folgen eine erhöhte Aufnahme von
Sauerstoff und die Bildung reaktiver O2 -Metabolite.
Die aktivierten Granulozyten nehmen Gewebstrümmer und Bakterien auf und
inkorporieren sie in Lysosomen. Hier erfolgt der Abbau durch die Enzyme und
die gebildeten Sauerstoffradikale. Bei diesem komplexen Vorgang verliert der
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Granulozyt natürlich auch Enzyme und Sauerstoffmetaboliten nach außen.
Der Verlust ist vom Grad der Stimulation abhängig und kann bei massiver Verletzung oder Infektion zur Degranulation des Granulozyten führen. Dabei
treten lysosomale Proteine und oxidatives Material in den interstitiellen Raum.
Diese extrazellulären Enzyme und Oxidationssubstrate können Gewebe schädigen und wichtige Proteine abbauen sowie weitere Mediatoren bilden, die
den Entzündungsprozeß fördern.
Besonders aggressiv ist dabei die PMN-Elastase (PMNE). In den Geweben
und im Blut existieren Proteinase-Inhibitoren, welche die Aktivität der proteolytischen Enzyme, so auch der Elastase hemmen und somit den Organismus
schützen.
Inhibitor der Elastase ist Alpha-1-Antitrypsin (Alpha-1-Proteinaseinhibitor).
Bedingt durch die hohe Inhibitorkonzentration im Plasma kommt es zur Inaktivierung der PMNE durch Bildung eines Elastase-Inhibitor-Komplexes, der im
Blut transportiert und im RES eliminiert wird.
Basierend auf diesen pathobiochemischen Mechanismen läßt sich die Messung der Elastase-Konzentration (als Enzym-Inhibitor-Komplex) im Plasma
somit als ein klinisch-chemischer Parameter für die Granulozyten-Aktivität
nutzen und eignet sich daher als diagnostischer Marker zur Beurteilung des
Verlaufes und Schweregrades von Entzündungen (Lang et al. 1989, Jochum
et al. 1990, Neumann und Lang 1995).
Ein Akutphase-Protein von erheblicher Bedeutung im Rahmen einer Entzündung stellt das C-reaktive Protein dar. Aufgrund seiner Kinetik und Sensitivität
(Plasmahalbwertszeit: 24 Stunden, Reaktionszeit: 6-12 Stunden) ist es besonders geeignet, den Verlauf der Entzündungsaktivität im Blut zu verfolgen
(Genth 1993).
Das CRP besteht aus 5 identischen nicht-glykosylierten Polypeptidketten
globulärer Struktur mit einem MW von je 21000 Dalton. Jede Untereinheit ist
in der Lage ein Kalzium-Ion zu binden (Höffler und Shah 1997). Das CRP
erhöht die unspezifische Immunabwehr, aktiviert das Komplementsystem,
trägt durch Steigerung der Phagozytose und durch Opsonisierung zur
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Eliminierung von pathogenen Keimen bei (Siegel et al. 1975, Mold et al.
1981).
1.4 Proteine der Granulozyten
Bei der Abwehr mikrobieller Krankheitserreger spielen neutrophile Granulozyten eine besondere Rolle. Diese “unspezifischen” Effektorzellen sind neben
den Makrophagen als phagozytierende Zellen an der Abwehr bakterieller
Infektionen beteiligt.
Die Reifung dieser Leukozyten kann man anhand morphologischer Merkmale
verfolgen. Diese Zellen haben ihren Namen nach der Merkmalsausprägung
der zytoplasmatischen Granula erhalten. Die membrangebundenen Strukturen kommen in 3 Typen vor. Sie besitzen jeweils ein charakteristisches
Proteinmuster. Besonders reich an lysosomalen Enzymen sind die primären
(= azurophilen) sowie die sekundären Granula. Die azurophilen Granula
enthalten neutrale Proteasen (pH-Wert 6-9) und Elastase (EC 3.4.21.37),
Kathepsin G (EC 3.4.21.20), Kallikrein (EC 3.4.21.34) sowie saure Proteasen
(pH-Wert 3-7), nämlich die Kathepsine B, H und L. Dazu kommen noch
Lysozym (EC 3.2.1.17), Myeloperoxidase und Glukosidasen. In den sekundären Granula, die pro Zelle etwa in doppelt so hoher Zahl wie die azurophilen
Granula
vorliegen,
sind
ebenfalls
Lysozym,
Kollagenase
sowie
das
eisenbindende Lactoferrin lokalisiert (Thomas 1995, Neumann und Lang
1995).
Im Zytosol der Granulozyten ist Calprotectin (S100A8 und S100A9) als
Heterodimer oder als kalziumbindendes Tetramer lokalisiert. Dieses Protein
besitzt mikrobielle, chemotaktische und zytotoxische Eigenschaften (Fagerhol
2000, Roth et al. 2001). Calprotectin ist ein Marker für den neutrophilen Turnover und wird bei einer Reihe von Entzündungsprozessen freigesetzt (Poullis
et al. 2002).
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1.5 Elastase (EC 3.4.21.37)
Elastin-spaltende Enzyme sind in polymorphkernigen, neutrophilen Granulozyten (PMN), Makrophagen, Endothelzellen und im Pankreas gefunden
worden. Bestimmte Bakterien, z.B. Pseudomonas aeruginosa enthalten
ebenfalls Elastase. Hier ist dieses Enzym eine Zink-Metalloproteinase, die bei
vielen Infektionen, insbesondere der Lunge eine entscheidende Rolle spielt.
Bei der Pankreas-Elastase (EC 3.4.21.11) wird die inaktive Vorstufe, die
Proelastase (MW 27000 Dalton) im Pankreas gebildet. Im Dünndarm erfolgt
dann mit Hilfe von Trypsin die Umwandlung in Elastase (MW 25700 Dalton).
Diese Serin-Endoproteinase ist mit anderen Pankreasproteasen verwandt.
Die systematische Erforschung der Leukozyten-Enzyme erfolgte erst in den
siebziger Jahren, obwohl Opie schon 1905 über die proteolytische Wirkung
von entzündlichen Exsudaten berichtete und 1922 die polymorphkernigen
Leukozyten als Träger dieser Eigenschaft erkannte (Opie 1905, Opie 1922).
1968 entdeckten Janoff und Scherer die elastinolytische Wirkung und Lazarus
et al. im gleichen Jahr die kollagenolytische Wirkung leukozytärer Granula
(Lazarus et al. 1968). Die Elastase war das erste lysosomale Enzym,
welches aus den Granulozyten isoliert und charakterisiert werden konnte
(Janoff und Scherer 1968, Ohlsson 1971, Ohlsson und Ohlsson 1974).
Die PMNE wird bei der Aktivierung der polymorphkernigen Leukozyten aus
den azurophilen Granula freigesetzt und ist damit der bedeutendste Mediator
für die Zellzerstörung im Rahmen der Entzündung.
Die
PMNE
(EC 3.4. 21.37)
ist
eine
Serin-Endoproteinase
(MW
ca.
30000 Dalton), von der 4 Isoformen bekannt sind. Diese unterscheiden sich
nicht in ihrer katalytischen Aktivität und sind auch immunologisch identisch.
Ein Pro-Enzym existiert offenbar nicht.
Das Wirkungsoptimum gegenüber Substraten liegt im neutralen bis leicht
alkalischen Bereich (pH 7,6-8,6). Der Gesamtgehalt an Elastase in neutrophilen Granulozyten wurde mittels radialer Immundiffusion nach Cetylmethylammoniumbromid-(CTAB) Extraktion mit 27,3±6,6 µg pro 107 Zellen bestimmt
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(Ohlsson 1971). Bei einer täglichen Freisetzungsrate von 1,5x109 neutrophilen Granulozyten pro Kilogramm Körpergewicht aus dem Knochenmark
gelangen ca. 300 mg Elastase innerhalb der Zellen in die Zirkulation. Aus der
mittels RIA gemessenen Serumkonzentration von 135 ng/ml und einer
Eliminations-Halbwertszeit des Elastase-α1-Antitrypsin-Komplexes ließ sich
eine täglich in die Zirkulation freigesetzte Elastasemenge von 10 mg berechnen. Dies entspricht 3 % der gesamten Elastasemenge (Ohlsson und
Olsson 1978, Duswald 1983).
In Geweben sind verschiedene Proteinaseinhibitoren vorhanden, die aus dem
Plasma dorthin gelangen. Der effektivste Hemmstoff ist Alpha-1-Antitrypsin.
Weitaus geringere Affinität besitzt das Alpha-2-Makroglobulin. Der Alpha-1Proteinaseinhibitor (Alpha-1-Antitrypsin) ist ein Glykoprotein mit einem MW
von 54000 Dalton, der hauptsächlich in der Leber gebildet wird. Trifft im Entzündungsherd oder im Blut Elastase auf den Inhibitor, so kommt es innerhalb
von Millisekunden zu einem irreversiblen bimolekularen PMN-Elastase-Alpha1-Proteinaseinhibitor-Komplex. Dieser Inhibitorkomplex ist quantitativ über
Immunoassays meßbar und dient als Maß für die Menge der aus PMNGranulozyten freigesetzten Elastase (Oremek und Schneider 1995, Thomas
1995).
Die beschriebene Inhibitor-Komplexbildung zwischen PMNE und Alpha-1Antitrypsin konnte bisher nur im Plasma eindeutig nachgewiesen werden,
obgleich bereits Bestimmungen der Granulozytenelastase im Liquor cerebrospinalis, im Speichel und in der Tränenflüssigkeit vorgenommen wurden.
In den Faeces konnten Saitoh und Mitarbeiter die Form der vorliegenden
Elastase (frei oder als Komplex) nicht eindeutig verifizieren. Auffällig erschien,
daß die Komplexbildung in den Faeces eher die Ausnahme zu sein scheint.
Welche Faktoren die verminderte Komplexbildung verursachen, ist bisher
nicht geklärt (Saitoh et al. 1995).
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